植树挖坑机之挖掘机构的设计说明书.docx

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植树挖坑机之挖掘机构的设计说明书

摘要

现代新型挖坑机的研发主要向系列化、多功能和高性能方向发展。

本植树挖坑机采用悬挂式与拖拉机三点悬挂式联接，即钻头在悬挂支臂的一端，支臂的另一端置于拖拉机悬挂支点上。

本挖坑机主要是对传统的悬挂式植树挖坑机的传动部分和挖掘部分的改进。

在主轴箱设计方面，合理的设计锥齿轮的传动比以及强度计算等。

在总体设计方面，尽量简化挖坑机的结构，减少其零件数目，以降低成本。

对于双螺旋叶片设计，其直径由下往上逐渐减小，其螺旋夹角也由下往上逐渐减小，以避免钻头工作时与塘壁发生碰撞和摩擦等情况，提高了工作稳定性。

关键词：

挖坑机；悬挂；双螺旋叶片

Abstract

Modernresearchanddevelopmentofnewmajordevelopmentdiggingmachinetotheseries,versatileandhigh-performanceorientation.Thetreeplantingdiggingmachineadoptshangingtypeconnectionwithatractorthree-pointsuspensionthatdrillatoneendofthesuspensionarm,theotherendofthearmisplacedonthetractorfulcrum.

Themainpartofthediggingmachinetoimprovethetraditionalhangingtreeplantinganddiggingdiggingmachinetransmissionparts.Inheadstockdesign,aswellasthestrengthofthetransmissionratiorationaldesignbevelgearcalculation.Intermsofoveralldesign,trytosimplifythestructureofdiggingmachines,reducingitsnumberofpartstoreducecosts.Forthedoublehelixbladedesign,itsdiameterdecreasesgraduallyupwardfromtheloweritsupwardspiralanglealsodecreasedfromthenext,inordertoavoidthepondwallcollisionoccurredwhenthedrillworkandfriction,etc.,toimprovetheworkingstability.

Keywords:

Diggingmachine;Suspension;Doublehelixleaves

前言

从国家林业局公布的第六次全国森林资源调查结果来看，目前我国森林资源现状是：

林业用地面活立木总蓄积量为124.9亿m³；森林蓄积量为112.7亿m³；除台湾省外，全国人工林面积为46666.7万m³；人工林蓄积为10.1 亿m³。

从以上调查数字可以看出，全国森林覆盖率为16.55%，仅相当于世界森林覆盖率（27%）的61.3%；我国人均森林面积和人均森林蓄积分别相当于世界人均水平的1/5 和1/8，远远低于世界平均水平。

我国在“十二五”规划中，把生态环境建设摆到了突出的战略位置。

我国三北及长江流域防护林体系建设工程、退耕还林工程、积为26329.5万hm²；森林面积为15894.1万hm²；速生丰产用材林基地建设工程等六大林业重点工程的制定和实施，体现了党中央、国务院对我国生态环境建设的高度重视，受到社会各界广泛关注，农民群众普遍欢迎。

近年来，人们越来越重视身边的生态环境，“植树造林，保护环境”已成为全民参与的一项大型义务活动。

因此，保护我国现有的原始森林生态系统以及恢复和重建我国退化森林生态系统，改善我国生态环境状况，提高我国森林覆盖率，必须开展大规模的造林工程。

采用人工造林投入大，产出少，用工多，效率低，速度慢，劳动强度大，而采用机械化作业则可以提高工效，减轻劳动强度，保证作业质量，降低生产 成本，提高经济效益，因此，进行机械化造林是必要的。

要进行机械化造林作业就必须有大量与之配套的造林机械设备，植树挖坑机结构简单紧凑，体积小，重量轻，土地适应性强，对地形反应不敏感，工作可靠等突出优点而被广泛使用，尤其是在条件较差的采伐地，不平的砂石荒漠地，未开垦的多杂草灌木地和山地等特殊地貌的植树造林速度和质量。

固研究高性能，低成本，使用方便，适合我国国情的植树挖坑机是我们目前要解决的问题。

第一章引言

1.1本课题的设计意义

我设计的是一台植树挖穴机用于植树造林及其他的小型挖坑作业。

现有的挖穴机多为手提式挖穴机，起工作效率不高，使用条件不便，稳定性能不太理想，因此，本课题设计的植树挖穴机要求工作稳定，工作效率高。

随着地球环境的日益恶化，需要大量植树造林，改善环境，因此，研制经济高效的植树挖穴机将深受广大人名群众的欢迎。

1.2我国园林机械的介绍

随着人们生活水平的不断提高，人们对于生活品质的要求越来越高，随之发展的就是城市的草坪业和绿化建设。

要想拥有好的绿化建设，园林机械是必不可少的。

像油锯、高枝锯、绿篱机、割草机、地钻、新型挖坑机械等等，都是不可或缺的。

 但是，由于草坪业和城市绿化建设的迅猛发展，国内的园林机械根本就跟不上这样的发展节奏。

我国目前园林机械主要存在着以下问题。

 第一，园林机械的核心技术跟不上。

园林机械技术的核心是发动机，国外进口的园林机械一般噪音小，节能性好，经久耐用，而我国的产品由于技术不过关，往往其发动机的噪声和耗油量都很大，还容易损坏，所以，相较之下，由于发动机档次的差距，很多国内园林机械的生产商就选择了进口发动机，从而导致生产成本增加，在市场竞争中处于不利位置。

第二，国产园林机械工作质量欠佳。

国产园林机械在质量上与进口机械的差距主要表现在：

割草机在修剪之后，草皮高低不平；移植机切边不整齐，起草速度慢，连续工作能力差等。

因此，虽然进口机价格高，但许多人愿意买。

 第三，人们的消费观念还未改变。

 然国产的园林机械在不断完善，相较之前的已经越来越好。

但是，人们的观念还未转变，总认为进口的总比国产的好，即使价格要昂贵一点，仍旧愿意选择进口的。

针对这三种制约我国园林机械发展的因素，面对进口园林机械强大的市场冲击，国内生产企业没有坐以待毙，而是在努力抢占市场，树立自己的品牌。

只不过由于受诸多因素的影响，园林机械国产化不可能一蹴而就。

目前，一些国内生产企业通过改进技术手段、树立企业形象等方式，提升自身水平，并正逐步被消费者所接受。

我国园林机械产品正在向多样化、规模化、系列化方向发展。

最初国内生产企业生产的园林机械品种只限于移植机、割草机等少数高利润产品，而现在市场上各种用途的园林机械已是琳琅满目。

专家预测，未来几年，国产园林机械将在国内市场占据主动，并逐步打入国际市场。

按照使用场合分类，园林工具包括园艺工具和园林工具；按照使用对象分类，还能够分成家用工具和专业工具；按照动力不同，又分为引擎类和电动类，引擎类使用2冲程或4冲程发动机，本田或BS的是高端产品的首选；电动类又细分为交流类和直流类。

园艺工具主要有：

园林剪刀、花卉工具（园林花具，小套花具）。

园林剪刀主要产品有高枝剪、整篱剪（篱笆剪）、剪枝剪（整枝剪、修枝剪）、多用剪、摘果剪、剪花剪、剪草剪等；田园组套花卉工具（园林花具，小套花具）包括花锹、花铲、花耙、花锄、花叉等等，具体有两头锄（两头花锄）、平锄、平耙、三齿花锄、三齿花耙、锄耙、锄镐、大花铲、小花铲、三字花铲、一字花叉、六齿花耙等。

园林机具主要有：

植树挖坑机、草坪修剪机、割灌割草机、绿篱修剪机、油锯、水泵、打孔机、起草皮机、打药机及各款园林工具。

随着国内这几年城市建设的发展，城市绿化已经形成很大一个产业，日常的养护便依赖这些工具来完成。

我们日常看见的大多是汽油机动力的园林工具，如植树挖坑机、割草机、修枝剪、打草机、修边机、割灌机等。

1.3国内外发展概况及现状

1.3.1国内研究现状

中国挖坑机产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。

我国植树造林机具现状我国植树造林机械赴较晚，主要在南方为种植橡胶实现产业化，有为东方红-75、热特-25型拖拉机配套的挖穴机，而北方地区为栽植果树和防护林，也研制了为中型轮式拖拉机如上海-50、神牛-25型拖拉机配套的开沟机、挖穴机，这种机具既可以挖植树穴坑，也可以挖梯形沟槽用于果树施沟肥。

对大面积的机械植树造林，多采用铧式系歹开沟机，如1K-40、1K-50和1K-60型开沟机。

我国植树造林机械虽有多个品种，但由于栽种树苗多在山地、坡地，土质条件复杂，影响了机械的使用效果，基本上用人工挖坑栽苗，生产的挖穴机批量较小。

近几年来，由于经济林的兴起以及国家为防治水土流失，退耕还林、种草种树已引起各有关部门的普遍重视，并加大了植树造林机械的投入，取得了良好的效果。

在国内，悬挂式挖坑机的生产和应用较为广泛，内蒙古赤峰田丰农林机械厂、山东大丰机械有限公司、哈尔滨林业福马机电设备公司及宁夏自治区农业机械研究所等10余家单位进行了研究、制造和销售。

该类挖坑机通常具有较大的功率，机动性较强，能挖较大和较深的坑，大多应用于大面积植树造林，应用范围也比较广[2]。

1）内蒙赤峰田丰农林机械厂生产的3WH-60型悬挂式挖坑机（如图1所示），结构合理，使用方便灵活，易于操作，每小时可挖80-150个坑。

其可与多种型号36.8kW以上拖拉机配合使用，用于大面积植树造林及工业挖坑。

挖坑直径250~600mm，深度0-1200mm，适用于平原、丘陵及沙地作业。

2）山东大丰机械厂生产的“大丰王”系列挖坑机WKJ-60/70（如图2所示）可与18.4k-36.8kW的多种拖拉机配合使用，挖坑直径400-800mm（可根据用户要求特别制作），深度650-800mm，转速248r/min，每小时可挖60个坑。

图13WH-60型县挂式挖坑机

图2WKJ-60/70挖坑机

3）哈尔滨林业福马机电设备公司生产的悬挂式挖坑机（如图3所示）可与铁牛40.4kW或18.4kW以上的具有动力输出和悬挂装置的拖拉机配套，挖坑直径为250-600mm，挖坑深度为0-800mm，挖坑效率为120坑/h。

4）手提式挖坑机在我国刚刚崭露头角，适用于家庭或地形复杂地区的小面积植树造林，也可用于打桩和树木追肥挖坑。

如哈尔滨林业福马机电设备公司生产的3WS-2.8型手提式挖坑机（如图4所示），采用051A-1型发动机，最大功率为2.8kW，转速为280-320r/min，挖坑尺寸（坑径×深度）为φ320mm×500mm，质量为17.6kg。

该机主要应用于地形复杂的山地、丘陵区和沟壑区，在坡度35°以下的荒山荒地、次生林地以及黄土高原的沟坡进行挖坑或整地。

图3悬挂式挖坑机

图43WS-2.8型手提式挖坑机

国内的一些林业高等院校和科研院所也对挖坑机进行了一些研究分析，关于挖坑机的论文大约有几十篇，涉及钻头升土理论及钻头临界转速的研究、钻头螺旋面强度的分析以及螺旋升角的选择问题，还得出了在不同条件下的挖坑机的动态力学参数，指出了钻头转矩的主要影响因素，对挖坑机的一些结构参数的确定起到了指导作用，为国内挖坑机的优化设计提供理了论支持。

1.3.2国外研究现状

相比之下，国外的研究状况要好一些。

由日本生产的自走式高性能挖坑整地机采用柴油机作动力，行走脚与轮胎组合行走装置为全液压式，平时用轮胎行驶，坡地靠行走脚行走，适用于坡度高达56°的陡坡林地作业。

作业时，4只脚可上下、左右移动，并能保证包括驾驶室在内的机器上半部始终呈水平状态。

该机的液压臂端部可安装液压式割灌机或挖坑机，每天可挖植树坑300-400个，实现了一机多用。

日本生产的A-7型手提式挖坑机（如图5（a）所示）质量仅为7.0kg，采用H35D发动机；A—8D型挖坑机（如图5（b）所示）可挖坑径范围为20-200mm。

（a）A-7型手提式挖坑机

（b）A-80挖坑机

图5日本生产的挖坑机

英国生产的05H8300型悬挂式挖坑机（如图6所示）和美国生产的悬挂式三钻头挖坑机（如图7所示）钻头之间的距离是可调节的（既行距可调），适用于平原地区的大面积植树造林，工作效率很高[2]。

图6英国产05H8300式挖坑机

图7美国产悬挂式钻头挖坑机

美国和加拿大生产的手提式挖坑机，发动机与钻头采用分离式，通过液压传动驱动钻头工作。

美国生产的HYD-TB11H型液压挖坑机（如图9所示）质量为170kg，最大流量为22.7L/min，最大转速为141r/min，钻头最大扭矩349N·m。

美国生产的MDL-5B型挖坑机（如图10所示）发动机采用动力为4.1kW的BSIntekProOHV。

图9和图10所示的挖坑机在工作时发动机离操作者有较远的距离，大大减少了噪音对操作者的影响，充分考虑了人-机工程学原理；有的手提式挖坑机安装了1个支点（即轮子），使挖坑机的携带比较方便，工作时还可以把挖坑机的反向转矩释放给轮体，减小操作者手上的反向力矩，增加其安全性，并减轻了操作者的疲劳程度。

图9美国产HYD-TB11H型液压挖坑机

图10美国产MDL-5B型挖坑机

挖穴机为了适应不同土壤、不同作业条件的要求，国外生产的不同动力配套的造林用挖穴机，有手提式、背负式、手扶拖拉机式和拖拉机式4种。

A.手提式挖穴机，分为单人式与双人式。

日本多用单人手提式，欧洲各国则多采用双人手提式。

手提式挖穴机发动机的功率一般为1.3--3.7kw，多采用油锯和割灌机的单缸风冷汽油发动机为动力。

单人和双人手提式挖穴机发动机的转数经离心式离合器和减速箱，将转数降低到100--200r/min，再传到挖穴钻头。

由于减速比很大，多采用蜗轮蜗杆或摆线针轮行星传动机构，以便减少机器的质量。

由于双人手提式挖穴机质量可以大一些，有的采用多段直齿轮减速机构。

有的挖穴机为了使挖穴机钻头能自动地由地中拔出，在传动机构中装有逆转机构。

国外所用的挖穴钻头多为螺旋片型，挖穴时自穴中向上排土的性能好，螺旋片型有单螺旋和双螺旋两种。

山地造林时，挖穴的直径和深度为25--30厘米，因此多采用1.5--2个节距的螺旋片。

为了提高螺旋片型挖穴机的切根性能，有的将螺旋边缘做成缺口状。

国外所用挖穴机钻头的转数都不太高，以免将穴中的土壤甩得过远，一般周边速度为3米/秒左右，钻头转数为200--300r/min。

装有逆转机构的挖穴机在拔出钻头时，土壤会向相反方向旋转，不会从穴中抛出。

手扶拖拉机式挖穴机的功率为3.7--7.3kw，轮式拖拉机挖穴机的功率为36.8--73.6kw。

B.悬挂式挖穴机主要用于栽植大树苗时的挖穴作业，挖穴直径为50--80厘米，挖穴深度为60厘米，挖穴机悬挂在25.7--58.8kw拖拉机上。

挖穴机由纵吊杆、带安全装置的万向传动轴、减速器和不同直径的挖穴钻头组成。

减速器由一对直齿锥齿轮组成，更换不同直径的挖穴钻头时，要更换不同的锥齿轮，可换挖穴钻头有3种，直径分别为80、60、30厘米。

钻头由空心钻杆、叶片和切土刀片组成，钻杆下端有定心尖。

工作时，由拖拉机动力输出轴经万向传动轴带动旋转工作部件完成挖穴作业，利用液压装置控制钻头升降。

C.液压式挖穴机在发达国家已普遍推广。

由于液压技术的普及推广，发达国家在挖穴机上已采用液压传动装置，主要用在液压输出能力较强的拖拉机或挖掘机的机型上，用液压泵驱动齿轮机构传动系统。

DANUSER液压挖穴机装有高效、转向密封性能好的液压马达，可调节机械链条与齿轮，使扭距增大4倍。

采用液压驱动比用万向节套管传动更灵活方便，当遇到障碍物时能起到安全缓冲作用。

1.4课题由来及设计条件

A.设计内容

设计一台植树挖坑机用于植树造林。

主要的设计内容有：

a）总体设计：

设计总体方案。

绘制挖坑总图；

b）零部件设计：

根据挖坑机总图，设计齿轮箱等传动机构；绘制传动轴、齿轮、齿轮箱体、钻头等零件图；有关计算、校核等。

B.设计依据

a）相配套的江苏-50型四轮拖拉机主要技术数据

①力输出轴转速：

720r/min；540r/min

②动力输出轴离地高度：

645mm

b）挖穴机技术参数

①挖穴直径：

500mm

②挖穴深度：

800mm

③钻头转速：

150～250r/min

④钻头形式：

采用双螺旋叶片结构；

⑤工作效率：

60～90坑塘/小时

⑥按5年寿命，每年工作800小时计。

1.5课题设计思路

在开始该机设计前，参考对比了一系列已有的植树挖坑机，例如悬挂式挖坑机，手提式挖坑机，液压式挖坑机等，总结发现他们都要用到由一对齿轮传动组成的减速箱，而本课题采用的是悬挂式挖坑机的方式，一种与小四轮拖拉机配套的悬挂式挖坑机，由悬挂架、带安全装置的万向传动轴、减速箱、双螺旋叶片型钻头等构成；悬挂架两端分别与拖拉机和减速箱铰合连接，双螺旋型钻头固定在减速箱的输出轴上；工作时，拖拉机的提升臂拖带悬挂架进行升降，由拖拉机动力输出轴经万向传动轴带动旋转工作部件完成挖穴作业；具有结构简单、作业质量好、效率高、移动及通过性能灵活的特点，广泛应用于植树造林、施肥集水、埋设桩柱等作业。

第二章总体方案设计

2.1挖坑机的设计要求

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